CN109977541B - 一种电力信息物理系统联合仿真平台及其同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力信息物理系统联合仿真平台及其同步方法，可用于对大规模电力信息物理系统进行仿真，在保证仿真精度的同时提高仿真效率。采用本发明所述的仿真平台及其同步方法，在某一时间窗内将电力仿真软件每个步长的仿真结果存入状态缓存中，并仅在关键事件发生时将数据发送给通信仿真软件，仿真平台根据通信仿真软件的仿真结果，判断电力系统状态是否发生改变，仅在状态改变且动作时刻在当前仿真时刻之前时，将电力仿真进行回溯。从而减少了电力仿真软件和通信仿真软件之间非必要的数据交互量和仿真启停次数，兼顾了仿真精度和速度，有助于提高电力信息物理系统联合仿真的效率。

Description

一种电力信息物理系统联合仿真平台及其同步方法

技术领域

本发明属于电力信息物理系统联合仿真技术领域，具体涉及一种电力信息物理系统联合仿真平台及其同步方法。

背景技术

与传统电力系统相比，智能电网中接入了大量传感、通信、计算和控制设备，因此具备了信息物理系统的基本特征。电力信息物理系统的通信网络在为各类电力业务提供稳定可靠的数据传输通道的同时，也将通信系统中的风险引入了电力系统中，因此，在新环境中有必要对电力物理系统和信息通信系统进行综合分析。

电力信息物理系统研究的关键问题在于如何深度融合电力物理系统与信息通信系统，综合考虑两种系统之间的交互影响机理，研究与之相适应的建模和分析方法。然而电力物理系统是连续系统，信息通信系统是离散系统，两种系统的研究在理论和方法上是割裂的，在现有理论基础上难以对交互影响机理进行深入仿真分析。

设计新的仿真引擎同时支持电力系统与通信系统需要重构大量函数库和元件模型，在现有技术框架下不易实现，因此需要利用已有的仿真工具，研究联合仿真技术。对于仿真规模较大的场景，受限于现有计算机的处理速度，只能采用非实时的仿真方法。目前非实时联合仿真的技术瓶颈主要在于两种仿真工具之间的同步方法，已有同步方法在进行高精度仿真时需要仿真工具频繁启停，因此仿真效率较低。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于时间回溯同步方式的电力信息物理系统联合仿真平台及其同步方法，与已有仿真平台相比，在保证仿真精度的同时有效提高了仿真效率，具有重要的实际意义。

技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种电力信息物理系统联合仿真平台，所述联合仿真平台包括电力系统仿真模块、通信系统仿真模块和同步模块，所述电力系统仿真模块和所述通信系统仿真模块均与所述同步模块相连，所述电力系统仿真模块用于对电力系统进行连续时域仿真，计算电力系统每个步长的状态；所述通信系统仿真模块用于对通信系统进行离散事件仿真，计算通信系统每个事件发生后的状态；所述同步模块用于采集通信系统和电力系统状态，控制两个仿真模块的启停及之间的数据交互。

进一步地，所述同步模块包括时间窗选择单元、状态缓存单元、延时计算单元和状态回溯单元，所述时间窗选择单元根据突发事件的发生时刻确定状态缓存的运行起始时间和结束时间；所述状态缓存单元用于存储电力系统每一步的仿真结果，分别作为通信系统仿真模块的数据输入以及电力仿真状态回溯单元的数据来源；所述延时计算单元根据通信系统仿真结果计算电力系统中命令的执行时刻，并且据此判断电力仿真是否需要回溯；所述状态回溯单元用于将电力系统的仿真时刻回退到命令执行时刻，并且将电力系统状态替换为状态缓存中该时刻的值，将命令作用在该时刻的电力系统状态上。

进一步地，所述状态缓存单元中的数据结构包括：仿真时间、电气量矩阵、故障矩阵和断路器矩阵，所述仿真时间用于记录该条缓存数据所对应的仿真时刻；所述电气量矩阵包含状态变量向量、代数变量向量和雅克比矩阵，记录了当前仿真步长的计算结果；所述故障矩阵包含故障参数、连接母线编号、故障发生时刻和故障解除时刻，用于记录故障位置以及后续故障溯源；所述断路器矩阵包含断路器参数、连接母线编号、连接线路编号、断路器当前状态、第一次动作时刻和第二次动作时刻。

根据本发明的第二方面，提供一种电力信息物理系统联合仿真平台的同步方法，所述方法包括：在某一时间窗内将电力系统仿真模块每个步长的仿真结果存入状态缓存中，并仅在突发事件发生时将数据发送给通信系统仿真模块；同步模块根据通信系统仿真模块的仿真结果判断电力系统状态是否发生改变，仅在状态改变且动作时刻在当前仿真时刻之前时，对电力仿真进行回溯。

进一步地，所述方法包括以下步骤：

(1)电力系统仿真模块和通信系统仿真模块分别从T₀时刻开始独立运行；

(2)当电力系统在T₁时刻发生突发事件时，电力系统每一步的仿真结果都存入状态缓存单元，并定时从状态缓存中读取相应节点的仿真数据发送给通信系统仿真模块；

(3)通信系统仿真模块接收电力仿真数据包，并判断该数据包种类，若数据包为故障触发数据包，则触发通信系统仿真模块中的通信故障，若数据包为电力系统状态数据包，则根据数据包中的源地址和目的地址，将数据包分配给通信网络中相应的节点，并将该事件插入仿真事件队列并逐一执行队列中的事件，最终将数据包传递给通信网络中的主站节点，主站节点根据控制策略判断是否生成控制指令数据包，若需要改变某些电力节点的状态，则在T₄时刻向电力系统仿真模块发送控制指令数据包，同时计算出从电力仿真数据包输入到控制指令数据包输出之间的延时Δt，若不需要改变任何电力节点的工作状态，则不生成任何数据包；

(4)电力系统仿真模块在T₅时刻接收到控制指令数据包，接收时刻由控制指令数据包的发送时刻和传输延时Δt计算得到；根据电力状态数据包的发送时刻T₁和传输延时Δt计算控制指令的执行时刻T₃，并作如下判断：若T₃在T₅之后，则电力仿真继续向前执行，并在T₃时刻改变相应电力节点的状态；若T₃在T₅之前，则对电力仿真进行回溯，所有电力节点的状态均替换为状态缓存中T₃时刻的数据，同时改变相应电力节点的状态，由此电力系统仿真分叉，在T₆时刻得到新的仿真结果，并基于该结果继续向前执行仿真。

有益效果：本发明采用基于时间回溯的方式，通过在时间窗内将电力系统仿真模块每个步长的仿真结果存入状态缓存中，并仅在关键事件发生时将数据发送给通信系统仿真模块，根据通信系统仿真模块的仿真结果，判断电力系统状态是否发生改变，仅在状态改变且动作时刻在当前时刻之前时，对电力系统仿真进行回溯。从而减少了电力系统仿真软件和通信系统仿真软件之间的数据交互量和仿真启停次数，兼顾了仿真精度和速度，有助于提高电力信息物理系统联合仿真的效率。

附图说明

图1为根据本发明的在时间轴上执行同步方法的示意图；

图2为根据本发明的同步模块的结构示意图；

图3为根据本发明的状态缓存单元中的数据结构示意图；

图4为根据本发明实施例的电力系统场景图；

图5为根据本发明实施例的通信系统场景图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图1为根据本发明的仿真平台同步方法运行时间轴，仿真平台包括3个模块：电力系统仿真模块、通信系统仿真模块和同步模块，电力系统仿真模块和通信系统仿真模块均与同步模块相连，电力系统仿真模块用于对电力系统进行连续时域仿真，计算电力系统每个步长的状态；通信仿真软件用于对通信系统进行离散事件仿真，计算通信系统每个事件发生后的状态；同步模块用于采集通信系统和电力系统状态，控制两个仿真软件的启停及之间的数据交互。

如图2所示，同步模块包括以下4个部分：时间窗选择单元、状态缓存单元、延时计算单元和状态回溯单元。时间窗选择单元根据电力系统故障或设备动作等特殊事件的发生时刻，确定状态缓存的运行时间。状态缓存单元用于存储电力系统每一步的仿真结果，分别作为通信系统仿真模块的数据包输入以及电力仿真状态回溯单元的数据来源。延时计算单元根据通信系统仿真结果计算电力系统中命令的执行时刻，并且据此判断电力仿真是否需要回溯。状态回溯单元用于将电力系统的仿真时刻回退到命令执行时刻，并且将电力系统状态替换为状态缓存中该时刻的值。4个部分相互配合，共同实现电力仿真软件与通信仿真软件的同步。

图3为状态缓存单元中的数据结构，包括4个部分：仿真时间、电气量矩阵、故障矩阵和断路器矩阵。仿真时间记录了该条缓存数据所对应的仿真时刻，用于状态回溯时通过时间进行数据定位。电气量矩阵包含状态变量向量、代数变量向量和雅克比矩阵，记录了当前仿真步长的计算结果。故障矩阵包含故障参数、连接母线编号、故障发生时刻和故障解除时刻，用于记录故障位置以及后续故障溯源。断路器矩阵用于记录该仿真时刻电力系统中所有断路器的状态，包含断路器参数、连接母线编号、连接线路编号、断路器当前状态、第一次动作时刻和第二次动作时刻，断路器一般受本地控制和远程控制，当发生故障时，本地的保护装置会对断路器进行操作，之后稳控系统或其他二、三道防线的装置可能会根据策略对断路器进行操作。因此，断路器可能动作2次，所以设置第一次动作时刻和第二次动作时刻。若断路器只动作一次，则将第二次动作时刻设为0，断路器的动作时刻可以由电力系统仿真模块中的控制单元进行修改。

仿真平台采用的同步方法在宏观上以事件为基准进行同步，在事件发生时刻附近的较短时间范围内，即微观上以时间为基准进行同步。在仿真运行前，根据电力系统中的量测单元的采样频率、关键事件点和人为预设值，生成一个电力系统仿真模块与通信系统仿真模块的数据交互时间序列，并且根据突发事件对该序列进行动态修改。量测单元用于定时从状态缓存中提取当前仿真时刻的电力系统某些节点状态，打包发送给仿真软件。同步方法执行步骤如下：

(1)电力系统仿真模块和通信系统仿真模块分别从T₀时刻开始运行，在无故障、开关动作等突发事件状态下，电力系统仿真模块和通信系统仿真系统分别独立运行，两者之间无数据交互。

电力系统状态由一组微分方程和代数方程描述，如下所示：

式中f_n和g分别为微分方程和代数方程，t为当前仿真时间，h为仿真步长。式(1)为非线性方程，因此需要通过牛顿迭代法进行求解：

由电力系统雅克比矩阵决定，利用梯形法进行计算：

式中In为单位矩阵，其维数与电力系统暂态仿真相同，其他矩阵均为微分代数方程的雅克比矩阵，

当变量的增量小于最小阈值ε₀或迭代次数达到最大值时停止迭代，每一步仿真后的电力系统状态如下所示：

通信系统是一个离散系统，其状态由一组离散事件描述。事件队列E中的事件依次执行，通信系统的状态u_c如下：

u_c(k+1)＝f_c(u_c(k),E(k)) (7)

f_c是通信系统模型的又穷状态机，根据当前通信系统状态和时间队列，计算得到通信系统下一个状态。

(2)假设电力系统在T₁时刻发生突发事件，则从该时刻开始，电力系统每一步的仿真结果都存入状态缓存单元，同时量测单元启动，按照设定的数据传输频率定时从状态缓存中读取相应节点的仿真数据发送给通信系统仿真模块。

(3)通信系统仿真模块接收电力仿真数据包，并将该事件插入仿真事件队列。仿真核心逐一执行队列中的事件，最终将数据包传递给通信网络中的主站节点。仿真核心是指通信系统仿真模块的计算程序，用于管理事件队列，计算事件的执行结果和通信系统的状态。主站节点根据控制策略判断是否生成控制指令数据包，若需要改变某些电力节点的状态，则在T₄时刻向电力系统仿真模块发送控制指令数据包，同时计算出从电力仿真数据包输入到控制指令数据包输出之间的延时Δt或丢包、中断等。若不需要改变任何电力节点的工作状态，则不生成任何数据包。第i个数据包的传输延时为：

Δt(i)＝t_cr(i)-t_cs(i) (8)

(4)电力系统仿真模块在T₅时刻接收到控制指令数据包，对应到电力仿真过程中，接收时刻由发送时刻和传输延时Δt计算得到。

t_er＝t_es+Δt (9)

控制单元根据电力状态数据包的发送时刻T₁和网络传输延时Δt计算判断控制指令的执行时刻T₃。若T₃在T₅之后，则电力仿真继续向前执行，并在T₃时刻改变相应电力节点的状态。若T₃在T₅之前，则电力仿真需要回溯，所有电力节点的状态均替换为状态缓存中T₃时刻的数据，同时控制单元改变相应电力节点的状态：

t＝t_er(s(t_er)≠s(t_er+h)) (10)

由此电力系统仿真分叉，在T₆时刻得到新的仿真结果，并基于该结果继续向前执行仿真。

下面通过一个实例来展示本发明的效果。图4为本发明实施例电力系统场景图，包含9条母线、5个负载、1个电容、3台发电机、1个理想电压源、4台变压器和9个断路器，每条母线分别由1个量测单元进行监测。线路L3在某一时刻发生三相短路故障，短路保护装置切除线路L3。设置安全稳定控制策略，若保护装置动作后电压无法恢复正常或维持稳定，则根据故障强度依次切除故障点附近的发电机和负荷。

图5为本发明实施例通信系统场景图，其中包含6个路由器节点、4个交换机节点、1个服务器节点和若干终端节点，各节点间采用100BaseT类型通信链路进行连接。6个路由器节点分别与母线B3、B5、B6、B7、B8、B9在地理位置上一一对应，终端节点M1～M7分别与母线B1、B5、B2、B6、B4、B9、B3上的量测单元一一对应，终端节点C1～C9分别对应9个控制单元，服务器节点用于模拟控制中心。设置每个终端节点与服务器节点交互的数据流量为800Mbps，用于模拟背景流量。

在本实例中，通信中断时，控制中心无法观测电力系统状态，并且无法向控制单元发送指令，三相短路故障后由于系统电压波动导致故障进一步扩散。通信正常时，控制单元响应出现约48ms的延时，对电力系统恢复产生了一定影响。将该实例移植到基于固定时间点同步方法的仿真平台中。统一模型参数，设置仿真步长为0.05s，仿真时间为20s。基于时间回溯同步方式同步方法的仿真平台的运行时间为8.5s，而基于固定时间点同步方法的仿真平台运行时间为62.6s，说明减少非必要的仿真暂停以及数据交互可以有效提高仿真效率，体现了本发明的有效性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电力信息物理系统联合仿真平台，其特征在于，所述仿真平台包括电力系统仿真模块、通信系统仿真模块和同步模块，所述电力系统仿真模块和所述通信系统仿真模块均与所述同步模块相连，所述电力系统仿真模块用于对电力系统进行连续时域仿真，计算电力系统每个步长的状态；所述通信系统仿真模块用于对通信系统进行离散事件仿真，计算通信系统每个事件发生后的状态；所述同步模块用于采集通信系统和电力系统状态，控制两个仿真模块的启停及之间的数据交互；所述同步模块包括时间窗选择单元、状态缓存单元、延时计算单元和状态回溯单元，所述时间窗选择单元根据突发事件的发生时刻确定状态缓存的运行起始时间和结束时间；所述状态缓存单元用于存储电力系统每一步的仿真结果，分别作为通信系统仿真模块的数据输入以及电力仿真状态回溯单元的数据来源；所述延时计算单元根据通信系统仿真结果计算电力系统中命令的执行时刻，并且据此判断电力仿真是否需要回溯；所述状态回溯单元用于将电力系统的仿真时刻回退到命令执行时刻，并且将电力系统状态替换为状态缓存中该时刻的值，将命令作用在该时刻的电力系统状态上。

2.根据权利要求1所述的电力信息物理系统联合仿真平台，其特征在于，所述状态缓存单元中的数据结构包括：仿真时间、电气量矩阵、故障矩阵和断路器矩阵，所述仿真时间用于记录缓存数据所对应的仿真时刻；所述电气量矩阵包含状态变量向量、代数变量向量和雅克比矩阵，记录了当前仿真步长的计算结果；所述故障矩阵包含故障参数、连接母线编号、故障发生时刻和故障解除时刻，用于记录故障位置以及后续故障溯源；所述断路器矩阵用于记录仿真时刻电力系统中所有断路器的状态，包含断路器参数、连接母线编号、连接线路编号、断路器当前状态、第一次动作时刻和第二次动作时刻。

3.一种根据权利要求1或2所述的电力信息物理系统联合仿真平台的同步方法，其特征在于，所述方法包括：在某一时间窗内将电力系统仿真模块每个步长的仿真结果存入状态缓存中，并仅在突发事件发生时将数据发送给通信系统仿真模块；同步模块根据通信系统仿真模块的仿真结果判断电力系统状态是否发生改变，仅在状态改变且动作时刻在当前仿真时刻之前时，对电力仿真进行回溯。

4.根据权利要求3所述的电力信息物理系统联合仿真平台的同步方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)电力系统仿真模块和通信系统仿真模块分别从T₀时刻开始独立运行；

(2)当电力系统在T₁时刻发生突发事件时，电力系统每一步的仿真结果都存入状态缓存单元，并定时从状态缓存单元中读取相应节点的仿真数据发送给通信系统仿真模块；

(3)通信系统仿真模块接收电力仿真数据包，并判断该数据包种类，若数据包为故障触发数据包，则触发通信系统仿真模块中的通信故障，若数据包为电力系统状态数据包，则根据数据包中的源地址和目的地址，将数据包分配给通信网络中相应的节点，并将该事件插入仿真事件队列并逐一执行队列中的事件，最终将数据包传递给通信网络中的主站节点，主站节点根据控制策略判断是否生成控制指令数据包，若需要改变某些电力节点的状态，则在T₄时刻向电力系统仿真模块发送控制指令数据包，同时计算出从电力仿真数据包输入到控制指令数据包输出之间的延时Δt，若不需要改变任何电力节点的工作状态，则不生成任何数据包；

(4)电力系统仿真模块在T₅时刻接收到控制指令数据包，接收时刻由控制指令数据包的发送时刻和传输延时Δt计算得到；根据电力状态数据包的发送时刻T₁和传输延时Δt计算控制指令的执行时刻T₃，并作如下判断：若T₃在T₅之后，则电力仿真继续向前执行，并在T₃时刻改变相应电力节点的状态；若T₃在T₅之前，则对电力仿真进行回溯，所有电力节点的状态均替换为状态缓存中T₃时刻的数据，同时改变相应电力节点的状态，由此电力系统仿真分叉，在T₆时刻得到新的仿真结果，并基于该结果继续向前执行仿真。

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